面向側翻工況下小客車上部結構耐撞性研究*

劉昌業 莫易敏 韋 勇 梁永彬1， 席小婷

(上汽通用五菱汽車股份有限公司1) 柳州 540057) (武漢理工大學機電學院2) 武漢 430070)

0 引 言

據公安部交管局不完全數據顯示，從2012—2014年第一季度全國共發生了534起死亡人數超過5人的特大交通事故，其中有52起側翻事故發生，且僅在2014年車輛側翻事故在特大交通事故中就占據40%，而在死亡10人以上的重大交通事故中，側翻占據比例更高[1-2].

據NASS的數據統計，全美車輛事故中翻車事故類型只占據1.8%，但造成的死亡人數比率卻高達9.9%[3-4].在所有事故類型中，雖然側翻的發生機率要小于正碰、側碰類型，但是由于客車自身的結構特點，正面和側面碰撞可以采用較多不同的結構和吸能裝置來盡量保護乘員減少傷害，而側翻碰撞事故中車體變形較大，乘員的生存空間受侵入，因此側翻對乘員的傷害程度遠遠大于其他幾種形式[5-6].

1 上部結構強度實驗設計

1.1 試驗臺架

實驗臺架基本尺寸見圖1.側翻平臺高800 mm，翻轉臺上設置側向限位擋塊，擋塊高度不得超過翻轉臺傾斜前車輛放置表面與該表面最近的輪輞部位間距離的2/3，擋塊寬度為20 mm[7].實驗方法：將試驗車平放放到側翻平臺上，側翻平臺以0.078 rad/s的角速度翻轉，直到試驗車自由落下，圖中b點為模型臨界側翻穩定角質心高度位置.

圖1 實驗臺架基本尺寸示意圖

1.2 生存空間設計

在車內前排及最后一排座位處按要求安裝變形規，變形規靠側圍一側涂有油漆，試驗過程中變形規上的油漆不允許沾到車上；變形規上的鋼針頂點也不能被擠壓進變形規內部，否則試驗不合格.一個變形規上會設置五個測點，測點的鋼絲測針與生存空間的泡沫邊界垂直.根據鋼絲測針是否完全縮回泡沫判斷乘員生存空間是否被侵入.生存空間變形規見圖2.

圖2 生存空間

2 側翻模型仿真與實驗對標

2.1 生存空間建立

生存空間是在側翻事故中，駕駛區和乘客區為駕駛員和乘客提供生存可能的剩余空間，可以衡量側翻碰撞過程中乘員生存空間被車身結構侵入的情況.根據法規的定義，SR點是確定生存空間的基準點，按照具體的尺寸要求確定SR，最后連接起來就是生存空間的輪廓，見圖3.

圖3 側翻有限元模型

2.2 工況設置

在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側傾直至翻倒，翻轉角速度不得超過5°/s(0.087 rad/s)，在側翻仿真試驗中，選取初始翻轉角速度大小為8.7×10-5rad/s.

2.3 仿真與實驗對標

仿真計算結束后，將仿真結果與實驗結果進行對標分析，驗證模型的準確性.在整車側翻仿真對標分析中，常進行關鍵結構變形與速度曲線：①變形量是對仿真結果的進一步驗證，用于結構優化；②速度與加速度曲線，驗證側翻軌跡正確性.

2.3.1關鍵結構變形

側翻工況下，主要變形區域為側圍受擠壓，B柱折彎，上邊梁處侵入生存空間.從仿真與實驗數據對比可以看出，側翻仿真模型精度較高，滿足實驗要求，見圖4.

圖4 B柱變形與生存空間侵入對比

2.3.2速度曲線

仿真與實驗中，車體運動的速度曲線可以反應整車在側翻過程中的運動情況，選取未與地面接觸的一側B柱上端某點安放加速度計(從臨界狀態時刻開始)，得到的速度變化曲線見圖5，仿真與實驗速度曲線趨勢基本一致，說明仿真側翻軌跡與實驗基本一致.

圖5 速度對比驗證

通過仿真與實驗對標分析，對比翻滾軌跡與關鍵結構變形趨勢，速度曲線趨勢大小基本一致，關鍵結構變形基本一致，驗證仿真模型的可靠性.

3 上部結構耐撞性優化設計

3.1 關鍵吸能和承載部件確定

3.1.1整車變形分析

實驗與仿真結果表明，整車側翻過程中及側翻后生存空間被侵犯，上部結構耐撞性有待提高.變形區域集中在前上邊梁、前頂梁、中頂梁、A柱、B柱部分等，車身側翻后首先與地面發生碰撞的是上邊梁，上邊梁最先侵入生存空間.

3.1.2碰撞力及加速度分析

各截面力都在碰撞開始達到最大值，車身接觸到地面的瞬間接觸力達到最大值59.35 kN，其中A柱、B柱的截面力最大值分別達到了23，22.5 kN，相對于頂蓋橫梁和上邊梁比較大，且上邊梁的截面力波動范圍較大，這是由于上邊梁是薄壁梁，其變形的穩定性較差的原因.

3.1.3能量分析

圖6為主要承載部件和主要吸能部件的吸能情況.由圖6可知，整車碰撞過程中， A柱吸收的能量較之于其他主要承載部件明顯比較大，其變形最大的，說明其強度不夠，需進行優化.

圖6 主要吸能部件與承載部件吸能對比

分析仿真結果中整車變形、碰撞力、局部截面力與加速度等得出整車側翻中上部結構主要的吸能部件是頂蓋、底板、車門，主要的承載部件是A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁等.

3.2 耐撞性影響因素分析

3.2.1薄壁梁耐撞性分析

在側翻碰撞過程中，上部結構主要發生的是彎曲變形，比如將上邊梁可以簡化為兩端鉸接的彎曲梁結構，其變形模式可以視作為在橫向載荷作用下薄壁梁結構失穩發生彎曲，見圖7.

圖7 上邊梁變形模式簡化模型

薄壁梁的抗彎強度主要取決于彎曲正應力，式(1)為彎曲梁的正應力強度條件.

(1)

式中：σmax為彎曲梁的最大正應力；Mmax為最大彎矩；W為抗彎截面系數；[σ]為材料的許用正應力.

而側翻碰撞中上部結構受力的形式多種多樣，受到的載荷不可能是均勻的，因此發生的變形比較復雜，主要有拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形、彎曲與扭轉的組合變形和壓桿的失穩變形.

1) 拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形 B柱同時受到軸向和法向載荷作用前后的對比圖，其受力情況可以簡化成圖8a)所示，梁受到軸向力P1和橫向力P2的共同作用，發生拉伸與彎曲的組合變形.截取一個橫截面單元，軸向力FN=P1，與其對應的應力成均勻分布，橫向力引起的彎矩值Mz=P2x，與其對應的彎曲正應力呈線性分布，應用疊加原理，得到任意一點的正應力為

(2)

2) 彎曲與扭轉的組合變形 A柱發生彎曲與扭轉的組合變形比較常見，A柱受力情況可以簡化為圖8b)，桿件受到橫向力P1和扭轉矩m共同作用.危險截面為固定端，扭矩T=m，橫向力引起的彎矩值M=P1，將扭矩和彎矩引起的應力疊加起來，固定端的上下兩點的彎曲正應力σ和扭轉剪應力τ均為最大值，因此，都是危險點.A柱為彈塑性材料，應用第三強度理論進行強度計算條件.

(3)

(4)

3) 壓桿的失穩變形 頂蓋橫梁屬于細長桿件，桿件受到載荷后的失效性質與強度失效性質不同，圖8c)①壓桿處于直線平衡狀態，圖8c)②壓桿受橫向干擾力，壓桿失去平衡，圖8c)③壓桿受力后無法復原，發生失穩變形.壓桿處于穩定平衡中，臨界狀態時的壓力即為臨界壓力Fcr，材料滿足胡克定律的條件下[8]，臨界應力σcr大小為

(5)

圖8 變形模式

由分析可得為提高梁的承載能力，可從以下幾個措施進行：①改善梁的受力情況；②選擇合理的截面形狀；③采用變截面梁；④提高材料的許用應力.由式(5)可知，壓桿的臨界應力與其材料的彈性模量和柔度有關，因此，提出可以增強壓桿穩定性的相關措施如下：①選用合理彈性模量的材料，彈性模量越大的材料可以承受更大的載荷；②通過減小壓桿的長度、合理選擇截面形狀來減小桿件的柔度.

3.2.2壁厚影響分析

由梁結構的抗彎截面模量的計算公式可知，寬為b、高為h的薄壁梁的抗彎截面采取為：

(6)

在保證薄壁梁寬度不變的情況下，增大壁厚可以增加其抗彎截面模量，從而增強其抗彎能力和吸能能力.以頂蓋橫梁為例，將其壁厚從1 mm增加到1.4 mm，由于其尺寸相對較小，所以增加的質量不影響輕量化要求，見圖9.

圖9 頂蓋橫梁變形對比圖

壁厚改進前后具體的數據對比見表1.由表1可知，生存空間最大侵入量減小6.3 mm，接觸力最大值和加速度最大值分別增加了4.82 mm，0.52 mm/ms2，由此得出增加頂蓋橫梁的壁厚可以改善側翻上部結構的耐撞性，因此，對上部結構中關鍵部位的壁厚進行整體優化會對其耐撞性能有較大的提升.

表1 壁厚改進前后數據對比

3.2.3截面形狀影響分析

頂蓋橫梁的截面形態類似一個梯形，由于材料越是遠離中性軸，正應力越大，抗彎能力越好，因此在不改變頂蓋的截面面積的情況下，將角度增大，這樣可以增大其抗彎截面模.改進前后頂蓋橫梁截面形態見圖10.

圖10 頂蓋橫梁截面形態改進前后對比

表2為界面形態改進前后數據對比表，由表2可知，生存空間最大侵入量減小4.4 mm，接觸力最大值增加7.75 kN，加速度增加1.37 mm/ms2，對乘員的沖擊力變化影響不大.

表2 截面形態改進前后數據對比

3.2.4加強結構影響分析

對整車變形和其上部結構的分析可以看出，B柱發生比較明顯的彎折變形，B柱的抗彎強度對整車變形有很大的影響，因此，在B柱加上加強板，以增強其抗彎變形能力.

改進前后具體的數據對比見表3，由表3可知，B柱的變形明顯減小，同時頂蓋橫梁和頂蓋最大變形也有明顯的改善.

表3 增加加強結構前后數據對比

3.3 優化方案設計

為提高上部結構強度、優化側翻耐撞性能，對其進行耐撞性優化設計.由前文中對上部結構耐撞性優化分析可得到有效改進方案，見圖11.

圖11 優化方案分析圖

本文綜合方案主要采取的優化措施如下.

1) 增加上部結構中關鍵部件(A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁)的壁厚，由于增加厚度就會相應的增加質量，因此，對各個部件進行權重計算分析，選取最優方案.

2) 采用加強結構，在B柱上下搭接處添加加強板，上邊梁和頂蓋橫梁搭接處廉潔較薄弱，且中空結構使得上邊梁與地面發生碰撞時迅速凹陷變形，因此在兩者之間添加加強角板可較好地吸能，減小上邊梁和頂蓋的變形，見圖12.

圖12 頂蓋橫梁與上邊梁連接處結構對比圖

3) 合理選擇截面形狀，增大頂蓋橫梁開角，將滑移門處內外板間的連接梁從矩形改為工字形，尺寸從改為，見圖13.

圖13 截面形態改進前后對比

4) 將B柱、上邊梁和頂蓋橫梁處材料從低碳鋼DC03換成加磷高強度鋼B10P1.

4 結 論

1) 對實驗與仿真結果中整車變形、碰撞力、局部截面力、加速度等內容進行分析，確定側翻中上部結構主要吸能部件是頂蓋、底板、車門，主要承載部件是A柱、B柱、上邊梁、頂蓋橫梁等，主要變形模式是彎曲、扭轉和抗壓失穩等.

2) 從拉伸(壓縮)與彎曲的組合變形、彎曲與扭轉的組合變形和壓桿的失穩變形等方面分析薄壁梁結構的變形模式，并提出：提高梁的承載能力的措施有：合理布置載荷和支座以降低最大彎矩、改善橫截面形狀和大小以增大抗彎截面模量.增強壓桿穩定性的相關措施：選用合理彈性模量的材料；通過減小壓桿的長度、合理選擇截面形狀來減小桿件的柔度.

3) 為提高桿件的強度，通過分析可從合理選擇材料及其截面形狀、改善載荷的分布和傳導、采用加強結構這三個方面進行優化，另外還可以采用

新型車身蒙皮等方法來提高上部結構的耐撞性能.